传感器技术-第一章-传感器技术基础.ppt

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1、第1章 传感器技术基础重点重点:传感器的静态性能指标传感器的静态性能指标 1. 理想传感器应具有的特点 1） 传感器只敏感特定输入量，输出只对应特定输入； 2） 传感器的输出量与输入量呈惟一、稳定的对应关系，最好为线性关系； 3） 传感器的输出量可实时反映输入量的变化。 实际中，传感器在特定的、具体的环境中使用，其结构、元器件、电路系统以及各种环境因素均可能影响传感器的整体性能。影响传感器性能的因素1.1 传感器的一般数学模型 模型：表示传感器的输入-输出关系及特性；传感器用来检测静态量静态模型； 检测动态量动态模型。1.1.1 静态模型 在静态条件下(即输入量 x 对时间的各阶导数为零)得到

2、的传感器数学模型。该数学模型一般表达式为：输 出 量输 入 量零点输出理论灵敏度非线性项系数 该特性方程与时间无关 数学模型通常存在四种情况，如下图。（表示输入和输出之间关系的曲线称为特性曲线） 希望传感器的输出与输入： 具有确定的对应关系， 呈线性关系且特性曲线过零点，如(a)图。图。1.1.2 动态模型 动态特性是考察传感器的输出及时反映输入量随时间变化的能力。 传感器静态特性好，并不一定能很好地反映输入量随时间变化尤其是快速变化的状况，可能因此而存在严重的动态误差。 在一定的量程范围和精度条件下，忽略传感器的非线性和随机变化等复杂因素，将传感器视为线性定常系统。 传感器动态分析常用的数学

3、模型有时域的微分方传感器动态分析常用的数学模型有时域的微分方程和对应频域的传递函数、频率响应函数以及状态方程和对应频域的传递函数、频率响应函数以及状态方程等。程等。 1、微分方程、微分方程 2、传递函数、传递函数1.2 传感器的特性和指标1.2.1 传感器的静态特性 静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。（考虑非线性和随机因素的影响） 1、线性度(非线性) 表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线(工作直线)之间的吻合(或偏离)程度的指标。最大非线性误差(各输出平均值与拟合直线间的最大偏差)满量程输出（亦即测量范围） 对于同一个传感器的同一条校准曲线，若选定

4、的拟合直线不同，则计算得到的线性度值也会不同。 拟合直线的确定原则： (1) 使非线性误差尽可能小； (2) 使用和计算方便； 常用的拟合方法有四种：(1)理论直线法，拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但最大非线性误差 一般都较大(2)端点直线法，把输出曲线两端点的连线作为拟合直端点直线法，把输出曲线两端点的连线作为拟合直线线(3)“最佳直线最佳直线”法，保证传感器正反行程校准曲线对法，保证传感器正反行程校准曲线对拟合直线的正、负偏差相等且为最小。拟合精度高。拟合直线的正、负偏差相等且为最小。拟合精度高。(4)最小二乘法。拟合精度高，但校准曲线相对于拟合最小二乘法。拟

5、合精度高，但校准曲线相对于拟合直线的最大偏差绝对值不一定最小，最大正、负偏差的直线的最大偏差绝对值不一定最小，最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。绝对值也不一定相等。2、回差回差(迟滞迟滞)传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。 正反行程间输入量相同时，输出的最大差值。 回程误差回程误差，常用绝对误差表示，常用绝对误差表示 检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于同一检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于同一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最差值的最大者大者即为回程误差。即为回程误差。迟滞特性迟滞特性x

6、HmaxY3 3、重复性、重复性 传感器在同一工作条件下，输入按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线不一致的程度。 重复性反映的是校准数据的离散程度，即随机误差。 重复特性重复特性xRmax1Rmax2y上一页下一页返 回4、灵敏度、灵敏度传感器输出量增量与输入量增量之比即为其静态灵敏度。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率：非线性传感器的灵敏度不是常数，以非线性传感器的灵敏度不是常数，以 表示表示上一页下一页返 回 用以表征传感器对输入量变化的反应能力。用以表征传感器对输入量变化的反应能力。 灵敏度的表达常包含电源电压因素，例如灵敏度的表达常包含电源电压因素，例如100(mv/mm.

7、v) (a) 线性传感器 (b) 非线性传感器 传感器的灵敏度 5.分辨力 传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。 若用该值相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。6.阈值 能使传感器输出端产生可测变化量的能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测最小被测输入量输入量（即零位附近的分辨力）（即零位附近的分辨力）7量程量程 又称又称“满度值满度值”，表征传感器、检测系统能够承，表征传感器、检测系统能够承受最大输入量的能力，其数值是测量系统示值范围受最大输入量的能力，其数值是测量系统示值范围上、下限之差的模。当输入量在量程范围以内时，上、下限之差的模。当输入量在量程范围以内时

8、，测量系统正常工作，并保证预定的性能。测量系统正常工作，并保证预定的性能。8零位零位 当输入量为零时，系统的输出量不为零的数值。当输入量为零时，系统的输出量不为零的数值。零位值应从测量结果中设法消除。零位值应从测量结果中设法消除。9.稳定性 传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。10.漂移 在一定时间内，传感器输出量存在着与被测输在一定时间内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。包括零点漂移和灵敏入量无关的、不需要的变化。包括零点漂移和灵敏度漂移。度漂移。 又可分为时漂和温漂。又可分为时漂和温漂。11.静态误差(精度) 评价传感器静态性能的综合性指标。 指传感器在满量程范围内

9、任一点输出值相对其理论值的可能偏离程度。表示测量值的不确定度。 非线性误差、回差、重复性误差的合成。小结基本功能特性 - 决定系统的工作能力精度特性 - 决定系统在什么程度上能完成所要作的测量 衡量传感器基本功能特性基本功能特性的指标-量程（测量范围）、灵 敏度、分辨力（率）、动态范围（跨度与绝对分辨力之比）； 精度特性精度特性指标-线性度、重复性、迟滞、死区、漂移、稳定性、精确度。2. 3.2 动态特性* 1传感器动态分析的特殊性传感器动态分析的特殊性* * 测试动态被测量时，要求传感器不仅能精确测量被测信号幅值大小，还包括其随时间变化过程的波形。 要求传感器：能迅速、准确和无失真地再现被测

10、信号随时间变化的波形，使输出与输入随时间的变化一致，即良好的动态特性。 动态特性反映传感器对随时间变化的激励(输入)的响应(输出)特性。实际传感器除有理想的比例特性环节外，还有阻尼、惯性环节，输出信号与输入信号没有完全相同的时间函数，这种输出与输入之差就是动态误差。 动态误差越大，传感器动态性能越差。 动态特性研究内容：分析动态误差及产生原因，提出改 善动态特性的措施。2研究与分析传感器动态特性的方法研究与分析传感器动态特性的方法 动态误差之一：输出量达到稳定状态后与理想输出量之间的差值；之二：当输入量跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳 态之间的过渡状态中的误差。 动态特性分析方法 时域：瞬态

11、响应法；频域：频率响应法时域：瞬态响应法；频域：频率响应法 实际测试时输入量千变万化，往往事先不知（或者以时间函数表达被测动态信号的形式多种多样），工程上以输入标准信号函数的方法来分析确立评定动态特性指标。在进行时域分析时，只能分析传感器对特定输入时间函数的响应，常用标准信号如阶跃函数等。在频域分析时一般由正弦输入得到频率响应特性。 1）传递函数和频率响应函数传递函数和频率响应函数 任何周期信号均可用傅里叶级数表示，也即用各阶正弦信号叠加表示。传感器对复杂周期输入的响应，可用对正弦输入信号的响应特性表示。 当输入正弦信号的振幅在传感器的线性范围内，为方便运算求解，传感器的输出可用传递函数H(s

12、)求得。由动态模型微分方程可得H(s)的表达式为式中Y(s)、X(s)初始条件为零的情况下，输出信号的拉氏变换和输入信号的拉氏变换， 、 ；s+j拉氏变换的自变量。 传感器的传递函数表征了其传输、转换特性。它只与传感器内部参数有关，而与输入信号及传感器的初始状态无关。当输入为正弦信号，且传感器稳定时， =0，则可用j代替s，其传递函数为称为传感器的频率响应函数，简称频率响应或频率特性频率响应或频率特性。 上式可用指数形式表示，即： H(j)= | H(j)|=A() 式中 AH(j)的模， A= | H (j)| = , 称系统的幅频特性。物理意义：输出信号的幅值与输入信号的幅值之比相对于信号

13、频率的关系。 H(j)的相角， = arctan| H(j) |= arctan ，称为相频特性 。物理意义：输出信号的相位与输入信号的相位之差相对于信号频率的关系。 相频和幅频特性之间有一定的内在联系，主要用幅频特性表示传感器的频响特性和频域性能指标。3.传感器典型环节的动态特性 动态响应分为瞬态（阶跃信号）和稳态（正弦信号）响应。传感器通常可视为零阶、一阶、二阶系统或它们组合成的系统，1) 一阶系统的时域响应一阶系统的时域响应*设一阶系统的稳态输出为 ，可得到瞬态响应 右图为阶跃响应曲线，根据此曲线，可定义各项指标如下：(1) 时间常数时间常数定义：输出量上升到稳态值的63.2%所需的时间

14、。当t=0时，响应曲线的初始斜率为 1/。越小，系统响应越快，稳定时间越短。图 一阶系统的阶跃响应(2) 响应时间响应时间ts *（调节时间，过渡过程时间） 在响应曲线上，系统输出达到一个允许误差范围的稳态值，并永远保持在这一允许误差范围内所需的最小时间。根据允许误差范围的不同有不同的响应时间： 可见，可见， 越小，系统的响应时间越短。越小，系统的响应时间越短。(3)上升时间上升时间tr* 系统输出响应值从5%(或10%)到达95%(或90%)稳态值所需时间。 从5%95%： 从10%90%： tr不从0%开始计算，可避开阈值，易于确定起始位置。 tr与ts 的区别：ts：永远落在误差带； t

15、r：第一次进入误差带。（在高阶系统中这两个概念不同）允许误差响应时间系统输出2%98.2%5%95%10%90%(4)延迟时间延迟时间* （一阶系统）输出响应值达到稳态值的50%所需的时间： （t0.5 允许误差为50%的ts） 意义：当输入量不是严格的阶跃信号时，粗略地表征传输延迟量。延迟时间 2) 二阶系统的时域响应二阶系统的时域响应* 的二阶系统在阶跃输入作用下的输出响应是单调曲线，其响应指标可参考一阶系统定义。1的二阶系统的过渡过程存在振荡，其时域指标除响应时间响应时间、上升时间上升时间或延迟时间延迟时间外，还有：1峰值时间峰值时间tp：输出达到第一个峰值所需时间输出达到第一个峰值所需

16、时间，为阻尼振荡周期的一半为阻尼振荡周期的一半： 2超调量超调量a式中 y(tp)第一次超过稳态值的峰高。 3衰减率：衰减率：衰减振荡型（ ）二阶系统过渡过程曲线上相差一个周期T的两个峰值之比。4. 稳定误差稳定误差em 无限长时间后传感器的稳态输出值与目标值之差 的相对值：em=( /yc)x100% 3) 典型系统的频域响应与指标典型系统的频域响应与指标 l(1）零阶系统）零阶系统数学表述：数学表述：传递函数：传递函数：式中K为静态灵敏度频率响应函数：频率响应函数：l 零阶系统的输出和输入同步变化，无任何失真和延迟，是一种理零阶系统的输出和输入同步变化，无任何失真和延迟，是一种理l想测试系

17、统，如位移电位器（在不考虑摩察因素时）、电子示波器等。想测试系统，如位移电位器（在不考虑摩察因素时）、电子示波器等。 (2(2）一阶系统一阶系统 数学表述数学表述 传递函数传递函数 静态灵敏度，时间常数，决定工作频率范围。例：工程实际中，一个忽略了质量的单自由度振动系统，在施于A点的外力f(t)作用下，其运动方程为频率响应函数频率响应函数:（K=1, 归一化处理）负值表示相角的滞后一阶系统的频率特性：I.一阶系统是一个低通环节低通环节。仅当 远小于远小于1/ 时，幅频响应才接近1， 因此一阶系统只适用于被测量缓慢或低频的参数适用于被测量缓慢或低频的参数。II. 幅频特性降为原来的0.707（即

18、-3dB)，相位角滞后45o ,时间常数 决定了测试系统适应的工作频率范围决定了测试系统适应的工作频率范围。幅频、相频特性幅频、相频特性Bode图Nyquist图(3）二阶系统）二阶系统数学表述传递函数频率响应函数幅频特性相频特性静态灵敏度 , 系统固有频率 , 阻尼比 (1-36)(1-37)图 二阶系统的幅频特性图 二阶系统响频特性 由频域响应图和表达式可见，为得到精确的由频域响应图和表达式可见，为得到精确的被测信号的幅值与波形，在系统设计时，一般必须被测信号的幅值与波形，在系统设计时，一般必须使其阻尼比使其阻尼比1，固有角频率固有角频率 n至少应大于被测信至少应大于被测信号频率的号频率的

19、35倍。倍。 如果被测信号为非周期信号，可将其分解为如果被测信号为非周期信号，可将其分解为各次谐波，这时系统固有角频率各次谐波，这时系统固有角频率n不低于输入信不低于输入信号谐波中最高频率号谐波中最高频率 max的的35倍，这时系统可确倍，这时系统可确保动态测试精度。保动态测试精度。 阻尼比阻尼比是传感器设计和选用时要考虑的另一是传感器设计和选用时要考虑的另一重要参数，重要参数，1为为过阻尼。一般系统都工作于欠阻尼状态。过阻尼。一般系统都工作于欠阻尼状态。 综合考虑，设计传感器时，应使综合考虑，设计传感器时，应使=0.60.8为为宜。宜。n/=510，可得到较小的动态误差。，可得到较小的动态误

20、差。根据二阶系统的频响可得频域指标根据二阶系统的频响可得频域指标*：1带宽频率带宽频率 对数幅频特性的dB值下降到频率为零时对数幅频特性以下-3dB时所对应的频率称为带宽频率 。2工作频率工作频率（0gi）gi：截止频率： 误差达到给定误差(1%,2%,5%,10%）时所对应的频率（常用-3dB截止角频率）。0gi:工作频带：输出不超过给定误差。3谐振频率谐振频率r 当 时所对应的频率。4跟随角跟随角 当 时所对应于相频特性上的相角。5.相位误差：相位误差：在工作频带范围内，传感器的实际输出与所希 望的无失真输出间的相位差值，即为相位误差。 为理解二阶系统幅值误差和相位误差的概念，可参考下面例

21、题： 例：一个二阶系统的力传感器，其固有频率n=800rad/s，阻尼=0.4，用它测量频率为=400rad/s的正弦变化力，求振幅误差及相位偏移各为多少？若采用n=1000rad/s，=0.6的力传感器，测量结果将有多大改善？ 解：二阶系统的传递函数与频率响应函数分别为因此，二阶系统的幅频响应和相频响应分别为将n=800rad/s，=0.4代入和的表达式中，得即幅值误差为18%（振幅误差），相位滞后为28。若改选传感器n=1000rad/s，=0.6，则有即振幅误差降低为3%，相位滞后增为30（一般，相位误差对测量结果无影响），故测量结果得到较大改善。 4） 动态响应指标实验确定方法动态响应

22、指标实验确定方法* * 传感器研制成功之后，必须经实验确定性能指标；使用一段时间或修改后，必须对其技术性能指标重新确定，即校准。 时域测定法时域测定法 通过测量单位阶跃信号的响应确定传感器动态特性参数。 (1)一阶系统 以单位阶跃信号激励一阶系统得到系统的单位阶跃响应。 以输出达稳定值63.2时所经历时间得到的时间常数仅取决于个别瞬时值，不涉及响应全过程，准确性较差。可靠方法可靠方法：一阶系统单位阶跃响应：y (t)=1- 改写上式，两边取对数得： - t /= ln 1-y (t) = z 上式表明，ln1-y (t) 与t成线性关系。根据测得的各时刻t所对应的y (t)，做出ln1-y (

23、t)-t曲线，根据曲线斜率值确定时间常数。求一阶系统时间常数 (2)二阶系统典型欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应函数为： y (t) = 1( )sin(dt+2) 这是一个以角频率d=n 作衰减振荡的函数。d称欠阻尼固有角频率。按求极值的通用方法求得各振荡峰值所对应的时间t=0，/d，2/d，将t=/d代入上式，可得最大超调量M和阻尼比的关系式，即或 测得M，便可按上式或者与之相应的曲线图来求阻尼比 。 如果测得的阶跃响应的过渡过程曲线较长，可利用任意两个超调量Mi和Mn+i求阻尼比。设n为两个峰值相隔的周期数，Mi峰值所对应的时间为ti，则Mi+n峰值所对应的时间为二阶系统(1)的阶跃响应 M

24、关系 将它们代入前述公式得整理后得 式中， 。当 0.1时，用1代替 而不会产生过大的误差(0.6)，则上式可写为若系统是准确的二阶系统，则n值采用任意正整数所得的值不会有差别。反之，若n取不同的值，则可获得不同的值，这表明该系统不是线性二阶系统。频域测定法频域测定法 利用正弦信号激励，可得传感器的幅频特性，如图所示，然后根据这两个特性曲线可求得一阶系统时间常数、二阶系统的固有频率n和阻尼比 。 对于一阶系统，由幅频特性渐近线(斜率为0 )与高频渐近线(斜率为-20dB/10倍频)交点处，向下作垂线，此垂线与幅频特性相交处的A()=0.707，与横坐标的相交点处=1/，由此得到=1/ 。 对于

25、二阶系统，利用对二阶系统幅频特性求极值的方法可得 r = n根据上式和二阶系统的幅频响应可得： Ar=当=0时，A()=A0=1，因此 Ar/A0= 由一阶系统幅频特性求时间常数 二阶系统(1)的幅频特性 5） 实现不失真测量的条件实现不失真测量的条件 任何测量系统都希望灵敏度高、频率响应特性好、响应快和时间滞后小，但全面满足这些要求困难而又矛盾。 动态测量首先要求实现不失真。为此系统必须是一个单向环节，且其频响特性满足在允许误差范围内为线性系统。系统的输出y(t)和输入x(t)之间，其幅值成比例增大(或衰减)，其相位只是滞后(或超前)一个时间，其关系式为式中 A。和均为常数。此式表明：该系统

26、的输出波形精确地与输入波形相似，但对应的输出与输入的瞬时值放大了A0倍和滞后了一个时间。因此说，输出无失真地复现了输入，也即实现了不失真测量。不失真输出与输入对上式取傅里叶变换得： 所以，实现不失真测量的系统频率响应应满足： ， 实现不失真测量的测量系统的频率响应特性应满足条件:测量系统在整个工作频率范围内，幅频特性为常数。这样各次谐波分量的幅值同倍数地增大或衰减。测量系统的相频特性为一过原点的直线。这样各次谐波分量的相移正比于各次谐波分量的频率。注意：注意：满足上述条件时，输出仍滞后于输入一定的时间。当测量结果用作反馈控制信号时，则不允许输出滞后输入，要求检测系统的相频特性为零，即 。 另外

27、，实际被测信号的频带宽度有限。因此，只要求在被测信号的频带范围内，系统的频率特性在允许误差范围内满足上述要求即可，而在不需要的频带内，幅频特性最好为零，以避免其他信号干扰。2.4 传感器的互换性及其他特性*互换性互换性 传感器的互换性指它被同样的传感器替换时，不需对其尺寸及参数进行调整，仍可保证误差不超过规定范围。大规模生产过程测控用的传感器此特性尤显重要，因互换性可确保生产线很短的停产时间。 理论上传感器的互换性可通过控制制造工艺和材料性能来保证，但实际上对高精度传感器很难做到。为了能互换，批量生产的传感器各项性能指标应完全一致。 由于同一种传感器的制造工艺和采取的材料是相同的，需要保证的通

28、常仅为输出特性的一致性。传感器的零位一般可调，所需控制的指标仅为灵敏度的一致性，问题也就变为传感器灵敏度的控制。只要在构成传感器的任一环节设置一个调整灵敏度的环节就可实现互换。一般在传感器的电系统中设置调整环节最为方便，如对传感器输出端设置一分压网络。有时还需对输入、输出阻抗进行控制。传感器的其他特性指标 静态特性和动态特性并不能完全描述传感器的性能。下表给出了除在选择传感器时应考虑的传感器与被测量有关的另一些特性。除那些传感器特性外，测量方法也必须始终适合于应用。例如，在测量流量时，如果插入流量计会引起误差。 待测的量* 输出特性 电源特性 环境特性 其他特性 间隔 目标精确度 分辨率 稳定度 带宽 响应时间 输出阻抗 板值 干扰量 变更量灵敏度本底噪声信号、电压，电流，频率信号类型：单端，差动，悬浮阻抗若为数字输出，则需编码电压电流有效功率频率(交流电源)稳定度环境温度热冲击温度循环湿度振动、冲击化学试剂爆炸危险灰尘浸溃电磁环境静电放电电离辐射可靠性、工作寿命过载保护购置费用重量，尺寸适用性电缆敷设要求连接器类型装配要求安装时间出现故障时的状态校准和测试费用维护费用更换费用*传感器的静态特性和动态特性必须与被测量的要求相适合